孔隙压力对含随机缺陷岩石破坏过程及全部变形特征的影响

对于平面应变压缩条件下含有随机缺陷的岩样,利用FLAC研究了孔隙压力对岩样破坏过程、全部变形特征及前兆的影响。以前编写的若干FISH函数,被用于生成缺陷和计算轴向、侧向、体积应变及侧向应变与轴向应变比值的负值(计算得到的泊松比)。在峰值应力之后,密实岩石单元服从线性应变软化行为及随后的理想塑性行为,而材料缺陷呈现理想塑性行为。当孔隙压力较高时,应力—侧向应变曲线具有一平台;破坏的前兆更明显;变形后岩样的体积总是大于原始体积;在初始加载阶段、均匀变形阶段及峰后变形阶段,由于明显的侧向膨胀,计算得到的泊松比远大于0.5。当孔隙压力较低时,在峰值应力之前,变形后岩样的体积小于原始体积,体积扩容出现于峰值应力之后,引起了负的体积应变。利用广义虎克定律,解释了平面应变弹性状态下数值结果的合理性。对岩样进行带状区域扫描后,确认随机缺陷的初始分布与岩样的最终破坏形态紧密相关。     

多重线性软化材料的拉伸应变局部化及力学行为分析

峰后线性应变软化本构关系的拉伸局部化带内部的塑性应变分布及试样的峰后应力—应变关系的理论解答不适用于复杂情形,在双线性应变软化条件下,得到了拉伸局部化带内部的塑性拉伸应变分布及试样的峰后应力—应变关系的理论表达式,又将其推广为多重线性应变软化情形,这在一定程度上拓展了考虑峰后应变局部化的单向拉伸试样力学行为模型的适用范围。拓展后的模型具有广泛的适用性,可模拟峰后的Ⅰ类及Ⅱ类(回跳)行为。通过选择适当的塑性模量(依赖于应力水平)与拉伸局部化带宽度的比值,本文的模型可以精确地模拟多种准脆性材料(例如岩石及混凝土)在单向拉伸条件下的复杂的峰后力学行为。     

地质体材料剪切带内部的常剪切应变点及速度分布分析

对于峰后线性应变软化的地质体材料,剪切带内部的总剪切应变等于弹性剪切应变(由经典弹性理论描述)及由微结构效应而引起的局部塑性剪切应变(由非局部理论或梯度塑性理论描述)之和。若剪切应力—塑性剪切应变曲线的斜率的绝对值(称之为软化模量)小于剪切弹性模量的两倍,则在剪切带的任一剖面内存在两个总剪切应变不依赖于剪切应力的点,称之为常剪切应变点。在这两个点上,弹性剪切应变的降低和局部塑性剪切应变的增加处于平衡状态,总剪切速度达到它的最大值或最小值。在两个常剪切应变点之间,局部总速度随剪切应力率的降低而增加。剪切带内部的局部总速度分布是非线性的,这与通常采用的剪切带内部速度的线性分布假定(忽略微结构效应)不同。     

循环温度荷载作用下饱和黏土的体积变形特性

采用温控三轴仪,研究了排水条件下温度循环引起的饱和黏土体积变化特性。试验结果表明,温度循环会使得土体产生不可恢复的体积变形,塑性体积应变的大小随温度循环周数的增加而增加,并逐渐趋于稳定值;若将经历过温度循环的土样重新加载到新的正常固结状态,后续温度循环中产生的塑性体积应变量值及发展规律与初始循环下的类似;同等温度增量下,体积应变的大小主要受超固结比OCR的影响,与应力水平无关。OCR越大,体积应变越小,随温度循环周数稳定的也越快。基于广义塑性理论,给出了热-力耦合作用下土体体积应变的计算模型。模型中考虑了温度塑性应变对屈服应力的硬化作用,根据屈服应力与前期固结应力之间的差异间接体现温度历史的影响,进而合理地模拟体积应变随温度循环周数的累积规律。利用所建立的模型对本文试验和文献中的数据进行了模拟,验证了模型的可靠性。     

先动后静荷载联合作用下结构性软粘土力学响应

为研究结构性软粘土在先动后静荷载作用下的力学响应特性,利用动静扭剪仪对天津滨海结构性软粘土进行了不同动应力幅值和波形的循环荷载作用,当动力累积塑性应变达到不同控制值后,再对土样进行静力三轴剪切试验。试验结果表明,在循环荷载作用下,累积塑性变形不断增大,土体结构破损加剧,随着先期动应力幅值和累积塑性应变的增大;之后,静力三轴应力应变关系曲线由应变软化型逐渐变为硬化型,其区分界限(1.25%)即为结构屈服应变;以结构屈服应变为分界点,相同围压下静力破坏应力随累积塑性应变的增大呈先快后缓的下降趋势。     

分级加卸载下深部粉砂岩三轴蠕变特性试验研究

采用分级增量循环加卸载方式,对湖南湘煤集团牛马司矿业公司水井头煤矿-300米东大巷二煤层底板粉砂岩进行了三轴蠕变特性试验,详细探讨了其轴向蠕变和变形模量的变化特征,分析了围压对蠕变和破坏的影响;研究了该类岩石各蠕变阶段非线性黏弹塑性变形特征。试验结果表明,在围压条件下,加速蠕变阶段较明显,岩样经过典型的蠕变三阶段后产生明显的黏塑性破坏;变形模量随应力水平的增大和时间的增长逐渐减小,直至趋于某一稳定值;瞬弹应变、瞬时总应变、粘弹性应变和总蠕变均随应力水平增大而增大;围压越大,岩石蠕变值越小,变形模量越小,塑性变形所占比重越大,非线性流变越明显。加大围压可以减缓岩石的蠕变破坏时间,围压越大破坏时的应变值也越高。表明围压对岩石蠕变有明显的约束作用。     

分级加卸载下深部巷道围岩蠕变特性试验研究

采用分级增量循环加卸载方式,对湖南湘煤集团牛马司矿业公司水井头煤矿-300m东大巷二煤层底板粉砂岩进行了单轴蠕变特性试验,探讨了轴向蠕变和各蠕变阶段的非线性粘弹塑性变形特征。试验结果表明,当应力水平低于岩石的长期强度时,粉砂岩只发生衰减蠕变;瞬时塑性应变和粘塑应变随轴向应力的增大而增大,瞬时弹性模量随应力水平增大而增加,而变形模量随应力水平增大和时间的增长逐渐减小,直至趋于某一稳定值;随着应力水平增大,粘弹性应变、粘塑性应变和总蠕变均先减小然后增大,表明低应力下因岩石内部微裂纹不断压密产生应变硬化,高应力下因岩石材料性质不断劣化产生内部损伤发生应变软化。     

滨海高水位下渗透性风化岩的损伤模型研究

滨海地区风化岩层中高地下水位对地下工程的影响是长期被关注的热点问题。从岩土材料应力-渗流-损伤完全耦合作用下的弹塑性特点出发,提出一种适用于风化岩层的流固耦合弹塑性损伤本构模型。考虑岩土材料抗拉性能和抗压性能的差异,选取修正的Mohr-Coulomb破坏准则作为岩土介质的塑性理论模型,采用有效应力空间进行应力-应变计算,把塑性计算与损伤计算进行解耦,并对有效应力进行谱分解,分析了拉、压不同状态应力下岩土体材料损伤演化的不同规律,利用得到的应力、应变和损伤变量,与介质的渗流参数建立相应的关系,实现了应力-渗流-损伤的完全耦合。此外,基于Abaqus软件平台及回映算法编制了相应的非线性程序,结合算例将所得计算结果进行了系统分析,初步验证了该理论的可靠与合理性。研究成果可为滨海城市中深基坑开挖诱发地层渗透破坏等灾害的控制提供理论依据。     

宽级配砾质土应力路径试验研究

对某土石坝工程的宽级配砾质土进行了三轴等应力比应力路径试验,试验分别模拟了土石坝施工填筑期及蓄水期可能的应力路径,研究了宽级配砾质土在复杂应力状态下的应力应变特性。研究表明,砾质土心墙料在等主应力比和等主应力增量比应力路径作用下,应力应变表现出较好的线性关系;在竣工期,其平均主应力p(或剪应力q)与体应变ε_v及剪应变ε_s的曲线关系都为幂函数形式,ε_v—ε_1、ε_3—ε_1关系均可用线性函数来表示,而在蓄水期,各应力与应变之间的曲线关系则基本上都可以用线性关系来表示。本文研究明确了复杂应力路径下宽级配砾质土的应力应变关系,为建立宽级配砾质土的应力应变本构模型提供了一个重要线索。     

不同荷载振动模式下软黏土动力特性试验研究

针对宁波轨道交通影响范围内的④2层淤泥质黏土开展了不同振动模式下的动三轴试验,获得了单向纯压振动和单向拉压振动模式下的孔压、累积塑形应变和动弹性模量的变化规律,建立了孔压—振动次数、累积塑性应变—振动次数的指数函数关系,结果表明:静偏应力的不同为两种振动模式的本质区别;单向拉压振动下的孔压稳定所需的振动次数较单向纯压振动大,累积塑性应变比单向纯压振动小一个数量级;单向拉压振动产生的弹性应变较单向纯压振动大,动弹性模量则反之;所建立的描述孔压、累积塑性应变与振动次数关系的指数函数能较好地反映孔压、累积塑性应变斜率随振动次数的变化规律,研究结果可以为轨道交通设计和施工提供理论依据。     

地震块体模型的共轭剪切破裂带数值模拟

对地震块体模型的应变率场的数值模拟结果表明 ,地震块体模型 ,尤其是当界面法向和切向刚度较大时 ,能产生明显的共轭剪切破裂带。地震块体模型存在老断层 ,呈现各向异性 ,因而 ,促进了某一方向上的主条带充分发展 ,与主条带共轭的次条带被抑制。存在复杂地质构造可能是地震带的间隔距离并不严格相等的原因。地震发生在剪切破裂带交叉部位的原因是这一位置剪切应变率较高。考察应变率场能揭示出地震块体模型的应变局部化特征。在构造运动作用下 ,新生构造与老构造并不重叠是可能的 ,因而 ,新生构造的交汇点就不一定出现在老断层上。地震块体模型的中心块体的尺寸越大 ,中心块体越稳定     

颗粒体材料在压缩位移控制加载条件下的力学行为及界面参数对它的影响

采用连续介质快速拉格朗日分析程序(FLAC),模拟了颗粒体材料在压缩位移控制加载条件下的力学行为及破坏过程.颗粒及它们之间的界面被离散为尺寸相同的单元.颗粒被视为各向同性的弹性材料,而界面被视为弹性-应变软化-理想塑性材料.界面完全破坏之后,其内聚力为零而内摩擦角不为零,因而适于模拟颗粒之间的摩擦行为.在双轴压缩条件下...     

2种Ⅱ型混凝土试件断裂韧度K_(ⅡC)值的比较研究

根据混凝土四点剪切加载和两端切口半边对称加载这2种Ⅱ型混凝土试件断裂试验的结果,计算分析了它们的断裂韧度KⅡC及其相互关系。采用有限元方法,基于数值模拟,利用ANSYS软件计算分析了2种Ⅱ型混凝土试件断裂试验加载阶段各荷载步的应力场和应变场,用位移外推法分别计算了四点剪切加载和两端切口半边对称加载Ⅱ型断裂数值模拟试验的断裂韧度,并与试验结果进行了比较。由于两端切口半边对称加载条件下试件受力均匀,容易保证整个试验过程中试件断裂过程区切应力占据主导地位,而四点剪切加载条件下则不可避免出现张拉和扭转等现象,从而导致试件断裂破坏过程中并不总是纯剪切的Ⅱ型断裂,这可能是这2种Ⅱ型混凝土试件断裂韧度KⅡC值有所不同的原因所在。     

基于颗粒离散元法描述岩石断面形貌的方法研究

破裂面作为岩石破坏之后最为直观的观测对象,其中蕴含着大量与破坏过程相关的细观信息,通过室内断口粗糙度扫描试验对破裂面进行分析不仅耗时耗力,而且试样最终断裂表面覆有大量白色岩粉会导致破裂面信息在扫描过程中出现不同程度的丢失。因此提出一种基于数值模拟的细观破裂面拟合方法,通过PFC~(3D)对不同应力路径下大理岩的变形破坏过程进行细观模拟,基于裂纹形成过程中的三类位移场与破裂面之间的关系,对试样最终破裂面进行提取与重建。结果表明:通过该方法拟合所得破裂面同室内试验所得真实岩样破裂面的粗糙度信息及破坏特征基本一致,可以很好地反映不同应力路径下试样破裂面的差异性。     

考虑非达西渗流的天然结构性软土大应变非线性固结

天然软黏土的结构特性、大应变特性及低水力坡降下软黏土中的非达西渗流已渐被熟知。但同时考虑天然软黏土结构特性和非达西渗流的软黏土大应变固结理论仍鲜有报道。考虑非达西渗流和天然软黏土的结构特性对固结性状的影响,在拉格朗日坐标系中建立变荷载下软土一维大应变固结模型,并获得其有限差分数值解。在此基础上,与非达西定律下不考虑结构特性影响的软黏土大应变固结解对比,分析验证本文解的可靠性。最后,着重分析了非达西渗流、天然软土结构特性及外荷载对软黏土大、小应变固结性状影响的特征。结果表明:非达西渗流下土的固结速率相对于达西渗流延后,且非达西渗流参数越大固结速率延缓越明显,但其对土层最终沉降值无影响。相同非达西渗流参数下大应变固结速率快于小应变固结速率,但非达西渗流参数并不影响大、小应变固结速率的差异。当外荷载小于天然软黏土结构屈服应力时,土层在荷载作用下应变值较小,大、小应变固结速率的差异可忽略;随着外荷载的增加或结构屈服压力的减小,土层应变值逐渐增大,大、小应变固结速率的差异越明显。     

强度折减有限元法中边坡失稳的塑性区判据及其应用

将抗剪强度折减法基本概念、弹塑性有限元分析原理与计算结果图形实时显示技术相结合,提出了以广义塑性应变及塑性开展区作为边坡失稳的评判依据,并与以非线性迭代收敛条件作为失稳评判指标的强度折减有限元方法进行了对比。对于天然垂直边坡的算例数值分析表明,采用广义塑性应变与塑性开展区作为失稳判据可以比较准确地预测边坡潜在破坏面的形状与位置及相应的稳定安全系数,验证了这种失稳判据的合理性。对开挖边坡和开挖支护边坡的实例计算结果表明本文方法对于复杂的边坡稳定性分析是实用的。     

含厚层软弱夹层硬质围岩的变形破坏特性

以某隧道为背景,通过地质条件分析并结合FLAC3D数值模拟手段,采用对比含有厚层软弱夹层和不含软弱夹层的2个不同模型的方法,从地应力变化、塑性区开展、变形、下覆岩体受压和位移等角度分析了含厚层软弱夹层硬质围岩的变形破坏特性。发现对于含厚层软弱夹层和不含软弱夹层的这2个不同模型,地应力的差别较小,但都为不含节理的岩体的0.5倍或更小,因此认为节理是影响含厚层软弱夹层硬质围岩变性破坏的因素之一;而2个模型在塑性区开展、变形量、下覆岩体受压和位移等方面差别较大,因此认为厚层软弱夹层对硬质围岩的变形破坏起着显著作用。同时通过创建三维模型采用分步开挖的方法,模拟了含厚层软弱夹层硬质围岩的变形破坏过程,分析认为其具有隐蔽性和发生时间不确定性的特点。研究结果可为类似地质情况的隧道建设提供参考。     

爆炸荷载作用下岩石的变形与破坏研究(Ⅱ)

无论是矿山工程、隧道工程中钻孔爆破效率的提高、工程爆破领域爆破振动参数的预测,还是最近一系列高技术常规局部战争中钻地炸弹对地下坚固目标的破坏,在不考虑岩石中强爆炸引起的光子和电磁辐射等极端效应情况下,都亟待要求对岩石中爆炸引起的应力、变形及其它运动参数和破坏效应作出比较准确的评估。目前对此问题的研究尚只能达到大致的机理及景象的定性认识和描述,定量上的确定存在数量级的误差,尤其是爆炸和冲击的近区,误差更大。其原因在于岩石中爆炸产生的变形和破坏特征,不仅与作用时发生相应的物理及力学运动密切相关,而且强烈地受岩石自身构造缺陷水平及其变化的制约。本文概述了爆炸作用下岩石的动力变形与破坏研究之现状。研究中考虑了岩石的构造特点及其对基本力学性状的影响,并简述了其研究的新趋向。